基于ct掃描圖像的mems結(jié)構(gòu)重構(gòu)與檢測(cè)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提出了一種基于CT掃描圖像的MEMS結(jié)構(gòu)的三維重構(gòu)與檢測(cè)方法，以解決現(xiàn)有檢測(cè)手段檢測(cè)環(huán)境要求高、不能反應(yīng)其三維形貌的問(wèn)題，同時(shí)保證了MEMS的無(wú)損檢測(cè)。本方法首先采用工業(yè)CT技術(shù)掃描得到MEMS器件的系列圖像，然后進(jìn)行圖像處理并得到其體數(shù)據(jù)，根據(jù)體數(shù)據(jù)進(jìn)行表面模型重建，得到MEMS器件的表面三角網(wǎng)格模型。然后對(duì)表面模型進(jìn)行修復(fù)，識(shí)別并提取其特征信息將器件模型的不同特征劃分為不同的特征塊，最后對(duì)劃分好的特征塊進(jìn)行擬合，提取特征參數(shù)并導(dǎo)出數(shù)據(jù)接口文件。通過(guò)以上技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了MEMS結(jié)構(gòu)的三維尺度結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確檢測(cè)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于CT掃描圖像的MEMS結(jié)構(gòu)重構(gòu)與檢測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及MEMS結(jié)構(gòu)的重構(gòu)與檢測(cè)，具體為一種基于CT掃描圖像的MEMS結(jié)構(gòu)的三維重構(gòu)和檢測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]MEMS 是 Micro-Electro-Mechanical System 的縮寫(xiě),全稱(chēng)為微機(jī)電系統(tǒng)。MEMS 是近年來(lái)高速發(fā)展的一項(xiàng)高新技術(shù)，涉及多個(gè)學(xué)科交叉，其產(chǎn)品外形輪廓在毫米量級(jí)以下，納米量級(jí)以上。由于MEMS產(chǎn)品體型超小，故而具有許多常規(guī)機(jī)械產(chǎn)品所不具有的光學(xué)、電學(xué)等特性，使得MEMS技術(shù)在許多領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]MEMS產(chǎn)品的超小結(jié)構(gòu)在具有突出的優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也給MEMS產(chǎn)品的加工質(zhì)量檢測(cè)帶來(lái)了很大的難度。目前，MEMS加工檢測(cè)技術(shù)已成為其設(shè)計(jì)和加工生產(chǎn)的重要保證手段，檢測(cè)技術(shù)涉及三維微小幾何尺寸、微米尺度下的運(yùn)動(dòng)、光、電、力學(xué)特性的檢測(cè)及可靠性檢測(cè)等。但由于MEMS元器件尺度微小，傳統(tǒng)的檢測(cè)手段尚無(wú)法對(duì)其三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠的檢測(cè)，需要針對(duì)MEMS元器件探索新的檢測(cè)手段。
[0004]現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)主要有掃描電子顯微鏡檢測(cè)(SEM)、掃描探針顯微鏡檢測(cè)(SPM)、光電坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)(CMM-Opt)、超聲檢測(cè)、顯微CT(Micro-CT)掃描檢測(cè)和納米級(jí)AFM檢測(cè)等技術(shù)。這些技術(shù)或者對(duì)檢測(cè)環(huán)境的要求特別高，或者測(cè)量周期長(zhǎng)，或者會(huì)對(duì)被檢測(cè)件的表面造成劃傷，并且都是在二維尺度上的測(cè)量，并不能對(duì)MEMS的三維結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)。檢測(cè)手段的落后可能導(dǎo)致了 MEMS產(chǎn)品加工質(zhì)量的不確定性，在一定程度上限制了 MEMS的發(fā)展與應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出了一種基于CT掃描圖像的MEMS結(jié)構(gòu)三維重構(gòu)與檢測(cè)方法，以解決現(xiàn)有檢測(cè)手段檢測(cè)環(huán)境要求高、不能反應(yīng)其三維形貌的問(wèn)題，同時(shí)保證了 MEMS的無(wú)損檢測(cè)。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]基于CT掃描圖像的MEMS結(jié)構(gòu)的三維重構(gòu)與檢測(cè)方法，其特征在于:基于工業(yè)CT掃描技術(shù)，采集到MEMS微機(jī)械結(jié)構(gòu)的斷層掃描圖像，進(jìn)行圖像處理后將圖像重建為三維表面模型，通過(guò)四面體剖分技術(shù)將表面模型重構(gòu)為實(shí)體模型，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行分塊，提取其特征，進(jìn)行特征識(shí)別和擬合，最后得到MEMS的參數(shù)并導(dǎo)入力學(xué)分析軟件進(jìn)一步分析其力學(xué)特性，主要包括以下步驟:
(1)根據(jù)MEMS元器件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇好掃描平面，用CT掃描設(shè)備對(duì)元件進(jìn)行斷層掃描，得到MEMS元件的斷層掃描圖像；
(2)將所述的斷層掃描圖像進(jìn)行圖像處理，過(guò)濾圖像中的噪音點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)行濾波，選擇合適的閾值進(jìn)行二值化處理，得到MEMS的點(diǎn)云體數(shù)據(jù)；
(3)得到所述的點(diǎn)云體數(shù)據(jù)后，對(duì)提數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，形成體單元，將其輸入到MC(Marching Cubes)算法中，進(jìn)行三維表面網(wǎng)格模型的重建，得到表面模型； (4)表面模型修復(fù)優(yōu)化，檢查建立的表面模型，找出其中的破損處，用孔洞修補(bǔ)方法對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，并優(yōu)化三角面片的質(zhì)量；
(5)四面體剖分，將優(yōu)化好的三角面片數(shù)據(jù)文件剖分成*.node文件、*.face文件、*.neigh文件、*.smesh文件和*.ele文件；
(6)根據(jù)不同位置的點(diǎn)的特征值的特點(diǎn)進(jìn)行邊界提取，并將提取出的邊界連接為連續(xù)的曲線，有邊界曲線為基礎(chǔ)進(jìn)行模型劃分；
(7)采用最小二乘方法首先對(duì)劃分好的模型進(jìn)行特征識(shí)別，確定其特征類(lèi)型，然后根據(jù)不同的特征類(lèi)型，有針對(duì)性的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征擬合，確定各特征的相關(guān)參數(shù)，得到形狀輪廓的檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)；
(8)寫(xiě)出數(shù)據(jù)接口文件，導(dǎo)入三維建模軟件和力學(xué)分析軟件進(jìn)行分別進(jìn)行模型分析和力學(xué)特性分析。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]附圖:本發(fā)明工作流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0009]本發(fā)明以VC++6.0為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，程序運(yùn)行于Windows XP/Windows732位或64位操作系統(tǒng)平臺(tái)。硬件環(huán)境，內(nèi)存:2G或以上；硬盤(pán):80G或以上；顯卡:500M或以上；顯示器:分辨率1024X768或以上。將MEMS元器件掃描后得到斷層掃描圖像，經(jīng)過(guò)圖像處理后讀入程序進(jìn)行模型重構(gòu)，通過(guò)OpenGL實(shí)現(xiàn)圖像的顯示，進(jìn)行交互。程序通過(guò)內(nèi)部的算法計(jì)算之后，分別寫(xiě)出網(wǎng)格優(yōu)化后的數(shù)據(jù)文件、四面體剖分?jǐn)?shù)據(jù)文件、分塊模型數(shù)據(jù)文件和模型的特征數(shù)據(jù)，最后通過(guò)數(shù)據(jù)接口導(dǎo)出Abacus文件和Solid works文件，以被進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)分析和模型力學(xué)分析。具體步驟和操作如下:
[0010]步驟一:獲取MEMS元件的微機(jī)械結(jié)構(gòu)斷層掃描圖像。以現(xiàn)有的工業(yè)CT掃描技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)MEMS結(jié)構(gòu)件進(jìn)行掃描，得到MEMS結(jié)構(gòu)的斷層掃描系列圖像為*.bmp格式。將圖像命名為000，001, 002到OOn以方便程序?qū)D像數(shù)據(jù)的讀取。
[0011]步驟二:圖像預(yù)處理。調(diào)用程序的“讀入圖像”命令，指定圖像所在的文件夾目錄，任意選擇系列圖像中的一張，即可讀入圖像數(shù)據(jù)。讀入數(shù)據(jù)之后對(duì)圖像進(jìn)行降噪處理，消除噪音點(diǎn)，然后根據(jù)圖像特點(diǎn)選擇合適的閾值進(jìn)行二值化處理，將圖像中的像素點(diǎn)分為“O”和“I”兩種狀態(tài)。“O”表示無(wú)，“I”表示有。
[0012]步驟三:模型重構(gòu)與重構(gòu)模型優(yōu)化。將讀入程序的數(shù)據(jù)進(jìn)行表面模型的三維重建，得到MEMS的三維表面模型*.stl文件。表面模型的結(jié)構(gòu)為三角網(wǎng)格，其質(zhì)量?jī)?yōu)劣不等。為提高模型質(zhì)量，定義接近于正三角形的三角網(wǎng)格為質(zhì)量好的網(wǎng)格，優(yōu)化模型面片質(zhì)量并同時(shí)進(jìn)行模型的孔洞修復(fù)。
[0013]步驟四:四面體剖分。選用Delaunay剖分算法，將生成的表面模型進(jìn)行四面體剖分，剖分后的體元為四面體結(jié)構(gòu)。四面體剖分后生成*.node文件、*.face文件、*.neigh文件、*.smesh文件和*.ele文件五個(gè)數(shù)據(jù)文件。用Laplacian方法對(duì)四面體模型進(jìn)行光順處理，得到優(yōu)化的模型結(jié)構(gòu)。
[0014]步驟五:用剖分后的*.node文件進(jìn)行特征識(shí)別與參數(shù)提取。首先采用基于特征邊緣的方法對(duì)模型進(jìn)行分塊，將不通的特征部分區(qū)分開(kāi)，提取出每個(gè)特征面的數(shù)據(jù)點(diǎn)。根據(jù)提取出的點(diǎn)的特征值來(lái)判斷曲面的類(lèi)型，然后用最小二乘法分別對(duì)每個(gè)特征面進(jìn)行擬合，得到特征面的參數(shù)數(shù)據(jù)。
[0015]步驟六:導(dǎo)出數(shù)據(jù)接口。調(diào)用程序的“導(dǎo)出Abacus文件”命令可以將重建并剖分好的模型輸出為Abacus的*.1np文件,可以直接在Abacus中打開(kāi)進(jìn)行分析,檢測(cè)MEMS元件結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能；調(diào)用程序的“導(dǎo)出STEP文件”命令可以將模型輸出為國(guó)際通用的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)STEP文件，可以在其它的三維建模軟件中打開(kāi)，進(jìn)行模型分析。
[0016]本發(fā)明的有益成果是:實(shí)現(xiàn)了 MEMS的三維立體檢測(cè)，能夠清晰完整的反映出其三維空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和內(nèi)部形貌特征。本發(fā)明基于CT掃描圖像進(jìn)行檢測(cè)，不會(huì)損傷被測(cè)元器件的表面結(jié)構(gòu)，可重復(fù)操作，同時(shí)CT技術(shù)對(duì)檢測(cè)環(huán)境的要求不高，易于操作，檢測(cè)成本低。實(shí)現(xiàn)了對(duì)MEMS結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的同時(shí)檢測(cè)，對(duì)保證MEMS加工質(zhì)量有重要意義，有利于推動(dòng)MEMS結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用。
【權(quán)利要求】
1.一種基于CT掃描圖像的MEMS結(jié)構(gòu)三維重構(gòu)與檢測(cè)方法，其特征在于:基于工業(yè)CT掃描技術(shù)，采集到MEMS微機(jī)械結(jié)構(gòu)的斷層掃描圖像，進(jìn)行圖像處理后將圖像重建為三維表面模型，通過(guò)四面體剖分技術(shù)將表面模型重構(gòu)為實(shí)體模型，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行分塊，提取其特征，進(jìn)行特征識(shí)別和擬合，最后得到MEMS的參數(shù)并導(dǎo)入力學(xué)分析軟件進(jìn)一步分析其力學(xué)特性，主要包括以下步驟: (1)根據(jù)MEMS元器件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇好掃描平面，用CT掃描設(shè)備對(duì)元件進(jìn)行斷層掃描，得到MEMS元件的斷層掃描圖像； (2)將所述的斷層掃描圖像進(jìn)行圖像處理，過(guò)濾圖像中的噪音點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)行濾波，選擇合適的閾值進(jìn)行二值化處理，得到MEMS的點(diǎn)云體數(shù)據(jù)； (3)得到所述的點(diǎn)云體數(shù)據(jù)后，對(duì)提數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，形成體單元，將其輸入到MC(Marching Cubes)算法中，進(jìn)行三維表面網(wǎng)格模型的重建，得到表面模型； (4)表面模型修復(fù)優(yōu)化，檢查建立的表面模型，找出其中的破損處，用孔洞修補(bǔ)方法對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，并優(yōu)化三角面片的質(zhì)量； (5)四面體剖分，將優(yōu)化好的三角面片數(shù)據(jù)文件剖分成*.node文件、*.face文件、*.neigh文件、*.smesh文件和*.ele文件； (6)根據(jù)不同位置的點(diǎn)的特征值的特點(diǎn)進(jìn)行邊界提取，并將提取出的邊界連接為連續(xù)的曲線，有邊界曲線為基礎(chǔ)進(jìn)行模型劃分； (7)采用最小二乘方法首先對(duì)劃分好的模型進(jìn)行特征識(shí)別，確定其特征類(lèi)型，然后根據(jù)不同的特征類(lèi)型，有針對(duì)性的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征擬合，確定各特征的相關(guān)參數(shù)，得到形狀輪廓的檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)； (8)寫(xiě)出數(shù)據(jù)接口文件，導(dǎo)入三維建模軟件和力學(xué)分析軟件進(jìn)行分別進(jìn)行模型分析和力學(xué)特性分析。
【文檔編號(hào)】G06T17/00GK104268940SQ201410550663
【公開(kāi)日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月17日
【發(fā)明者】牛文杰, 王曉斌, 白永濤, 呂長(zhǎng)榮, 孫政 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東)